太阳能烟囱发电系统的CFD模拟与优化

摘要

太阳能烟囱发电技术是一项综合应用温室效应技术、烟囱技术以及风力涡轮发电技术于一体的太阳能发电新技术，是实现大规模开发和利用太阳能的一种新的途径。太阳能烟囱系统的低效率以及由于太阳能烟囱过高而存在的工程安全性差和工程费过高的问题是影响建造商业规模的太阳能烟囱电站的重要因素。太阳能烟囱系统中气流的速度场和温度场的分布对系统中的能量转换、涡轮转子的输出功率有很大的影响。而太阳能烟囱系统的尺寸是决定其速度场和温度场的关键因素之一。因此研究太阳能烟囱系统的尺寸对发电功率的影响是必要的。 传统研究流体流动与对流换热的方法是实验研究。由于太阳能烟囱系统的造价相对较高，直接进行大量实验研究是不合理的。随着数值模拟技术在对流换热中的应用日益广泛，应用数值模拟方法对太阳能烟囱系统中的气流进行模拟研究已经变得可行。 在本文中应用数值计算方法，在一定假设条件下，建立了适宜于太阳能烟囱系统中气流的数值计算模型。并利用建立的数值模型，采用通用商业CFD软件FLUENT对太阳能烟囱系统中速度场和温度场进行了数值模拟。通过对模拟结果进行分析表明：在其它条件不变的情况下，集热棚周边距离地面高度对太阳能烟囱系统的发电功率没有影响；太阳能烟囱直径存在一最佳值，使得太阳能烟囱系统的输出发电功率最大：太阳能烟囱系统的发电功率和建造成本随集热棚直径、太阳能烟囱的高度同向增大，但增率不同，存在较优的比值Hc/D<,coll>使得太阳能烟囱发电系统在比较低的建造成本下获得比较高的发电功率。这为实用性的太阳能烟囱电站的优化设计和建造提供了依据和指导。 最后，在本文中根据烟囱的常规设计方法，采用VC++语言编程，对应用FLUENT软件模拟计算得出的几个尺寸的太阳能烟囱进行了强度计算，结果显示，采用常规烟囱的建筑材料和设计方法设计建造高耸太阳能烟囱在强度上是可行的。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1能源问题及可再生能源的开发利用

1.1.1世界及我国的能源问题

1.1.2可再生能源的开发利用

1.2太阳能的优势及太阳能发电技术

1.2.1太阳能的优点

1.2.2太阳能发电技术的发展

1.3太阳能烟囱发电技术

1.3.1太阳能烟囱发电技术原理

1.3.2太阳能烟囱发电技术的特点

1.3.3太阳能烟囱发电技术的现状与发展

1.4课题的提出

1.4.1课题提出的背景

1.4.2本文的主要研究内容及意义

第2章太阳能烟囱发电系统的能量转换分析

2.1太阳能烟囱发电系统的能量转换过程

2.2涡轮发电机功率计算

2.3太阳能烟囱发电系统的能量转换效率

2.3.1太阳能集热棚热转换效率

2.3.2太阳能烟囱的能量转换效率

2.3.3风力涡轮机的能量转换效率

2.3.4太阳能烟囱发电系统能量转换效率分析

2.4本章小结

第3章太阳能烟囱发电装置的数值模型和模拟过程

3.1实物模型化

3.2数学模型

3.2.1湍流数学模型

3.2.2连续性方程

3.2.3三维圆柱坐标系中标准k-ε模型的控制方程

3.3边界条件

3.4 FLUENT的使用

3.4.1网格生成

3.4.2 FLUENT软件的部分设置

3.4.3模拟计算过程及模拟结果

3.5本章小结

第4章数值模拟结果及讨论

4.1太阳能烟囱发电系统尺寸

4.2模拟结果比对

4.3模拟结果与讨论

4.3.1太阳能集热棚入口高度Hp对系统性能的影响

4.3.2太阳能烟囱直径d对系统性能的影响

4.3.3太阳能烟囱发电系统尺寸优化

4.4太阳能烟囱能量转换效率验证

4.5本章小结

第5章太阳能烟囱的设计计算

5.1太阳能烟囱结构分析

5.2太阳能烟囱计算程序

5.3计算结果及讨论

5.4本章小结

6结论与展望

附录1：不同规模的太阳能烟囱发电站的投资费用

附录2：太阳能烟囱系统的网格划分图和流场、温度场、压力场、密度场分布图

附录3：集热棚入口高度对太阳能烟囱系统的影响

附录4：烟囱直径对太阳能烟囱系统的影响

附录5：烟囱高度对太阳能烟囱系统的影响

附录6：集热棚直径对太阳能烟囱系统的影响

参考文献

致谢